一种盲人触觉图像实现的装置及方法

一种盲人触觉图像实现的装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及盲人导航、辅助技术、人机交互技术，尤其设及一种盲人触觉图像实现 的装置及方法。
【背景技术】
[0002] 盲人由于视觉缺陷，不得不利用其他感觉通道来感知外部世界，在盲人的味觉，触 觉，嗅觉，听觉等感觉器官中，最能有效利用的是听觉和触觉。对于盲人视觉辅助来说，触 觉相对于听觉来说又有着不可比拟的优势，它相对于听觉有直观、实时性好、信息量大等优 点。
[0003] 触觉替代视觉，是一种将视觉图像转换成触觉图像的过程。触觉图像W触觉阵列 的形式让盲人感知。从实现途径上可分为直接重构和感官替代两大类，直接重构是指直接 刺激人类的皮肤而产生触觉感，感官替代是指用其它感觉器官替代皮肤接受触觉信号间接 地判断触觉感。当今触觉刺激多采用直接重构方式，研究的焦点主要集中在刺激方式实现 技术方面，分为电磁式、压电振动式、记忆合金式、气动式、电刺激式、电致伸缩式等方式。

【发明内容】

[0004] 本发明的目的是为实现触觉代替视觉，提供一套新的实现触觉阵列的装置。本发 明通过把=维地形探测器得到的地形和场景进行压缩、提取有用信息，得到较小像素数的 二值图像，把二值像素转换成凹凸的触觉像素，最终实现凹凸的阵列，将明眼人可W看到的 景象转换成一帖"触觉图像"提供给盲人，来为盲人提供视觉辅助。
[0005] 本发明的目的是通过W下技术方案来实现的：一种盲人触觉图像实现的装置，包 括S维地形探测器、单片机、N个微型电机、N个升降柱、电机固定板、触摸板、N/2个电机驱 动电路；其中，N=化2,n为大于1的偶数；所述微型电机为步进电机，转轴带有螺纹；升降 柱为棱柱体，顶部具有凸起，作为盲人触摸的触点，底部具有螺纹孔，所述螺纹孔与微型电 机的螺纹相匹配；电机固定板上开有N个矩阵排列的圆槽，微型电机的底部嵌套在圆槽内； 电机固定板还开有N个通孔，为微型电机的控制线提供通道；触摸板上开有N个方形孔，升 降柱穿过方形孔，底部与微型电机螺纹连接，触摸板的方形孔卡住升降柱从而使其只能做 垂直的上下运动。
[0006] 所述电机驱动电路包括四个依次串联的串行转并行信号移位寄存器U1-U4,每个 串行转并行信号移位寄存器的八个并行输出脚依次接两个微型电机的信号线；U2、U3、U4 的移位信号端相连后接入U1的移位信号端；U2、U3、U4的刷新输出端相连后接入U1的刷新 输出端；U1的移位信号端、U1的刷新输出端、U1的串行输入端分别连接单片机的I/O口。
[0007] 一种利用上述装置的盲人触觉图像实现方法，包括W下步骤：
[000引 （1)S维地形探测器拍摄图像，获取图像中每一像素点水平方向和竖直方向的深 度信息；
[0009] (2)根据步骤1得到的图像深度信息，将采集的图像转化为需要触觉显示的像素 数为N的二值图像；
[0010] (3)将二值图像发送到单片机，单片机生成控制微型电机阵列的信号给电机驱动 电路，具体为；定义微型电机的四个引脚A1、B1、A2、B2循环接收16进制C、6、3、9为正转， 循环接收16进制9、3、6、C为反转；二值图像中像素为1的点对应微型电机正转，即升降柱 升起；像素为0的点对应微型电机反转，即升降柱保持与触摸板齐平；
[0011] 用一个数组来保存8个微型电机的控制时序，所述数组包括4个长整型，每个长整 型用8位16进制数来表示；长整型的某一位控制启动该一位对应的微型电机，一个长整型 的8个16进制位可控制8个步进电机；当需要控制某一个微型电机转动时，将此电机在四 个长整型上对应的四个16进制位分别写为C、6、3、9或9、3、6、C，循环发送该四个长整型数 据到电机驱动电路，电机驱动电路的32个并行输出脚被写入8个微型电机的控制电平，该 样每个需要被控制转动的微型电机都得到了时序电平，8个电机得到了控制；
[0012] (4)电机驱动电路驱动微型电机转动，从而带动升降柱W精确的位移做垂直运动， 最终提供盲人一幅直观的触觉图像
[0013] 本发明的有益效果如下：
[0014] 1、盲人使用者可利用本装置，通过阵列的起伏直观地感受周围环境；
[0015] 2、阵列随使用者的移动可进行刷新，具有实时性；
[0016] 3、触点间距较小，阵列可在紧凑的小区域内实现。
【附图说明】
[0017] 图1是系统零部件示意图；
[001引图2是整体硬件结构的侧视图；
[0019] 图3是电机驱动电路之单元电路的图示；
[0020] 图4是人机交互系统整体示意图；
[0021] 图中，微型电机1、升降柱2、电机固定板3、触摸板4。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0023] 如图1、2所示，本发明设及一种盲人触觉图像实现的装置，包括=维地形探测器、 单片机、N个微型电机1、N个升降柱2、电机固定板3、触摸板4、N/2个电机驱动电路；其中，N =化2,n为大于1的偶数；所述微型电机1为步进电机，转轴带有螺纹；升降柱2为棱柱体， 顶部具有凸起，作为盲人触摸的触点，底部具有螺纹孔，所述螺纹孔与微型电机1的螺纹相 匹配；电机固定板3上开有N个矩阵排列的圆槽，微型电机1的底部嵌套在圆槽内；电机固 定板3还开有N个通孔，为微型电机1的控制线提供通道；触摸板4上开有N个方形孔，升 降柱2穿过方形孔，底部与微型电机1螺纹连接，触摸板4的方形孔卡住升降柱2从而使其 只能做垂直的上下运动。
[0024] 如图3所示，所述电机驱动电路包括四个依次串联的串行转并行信号移位寄存器 U1-U4,每个串行转并行信号移位寄存器的八个并行输出脚依次接两个微型电机1的信号 线；U2、U3、U4的移位信号端（端口 11)相连后接入U1的移位信号端；U2、U3、U4的刷新输 出端（端口。）相连后接入U1的刷新输出端；U1的移位信号端（端口 11)、U1的刷新输出 端（端口 12)、U1的串行输入端（端口 14)分别连接单片机的I/O口；所述串行转并行信 号移位寄存器可采用74肥595巧片，使用74肥595巧片是出于如下考虑；每个微型电机1需 要四条 信号线，故电机阵列所要求的信号口线非常多，通过使用74HC595巧片可W将单片 机的1位10 口扩展到8化而将多片74HC595串接可实现更多位数的扩展，如图2所示，电 机Ml的四条信号线接在74肥595巧片7的四个输出引脚（15、1、2、3)上，实现了 1位扩展 到32位，可控制8个电机M1-M8。
[0025] 一种盲人触觉图像实现方法，包括W下步骤：
[0026] (1)S维地形探测器拍摄图像，获取图像中每一像素点水平方向和竖直方向的深 度信息；
[0027] (2)根据步骤1得到的图像深度信息，将采集的图像转化为需要触觉显示的像素 数为N的二值图像；
[0028] (3)将二值图像发送到单片机，单片机生成控制微型电机阵列的信号给电机驱动 电路，具体为：
[0029] 定义微型电机1的四个引脚A1、B1、A2、B2循环接收16进制C、6、3、9为正转，循 环接收16进制9、3、6、C为反转，如下表所示：
[0030]
[0031] 二值图像中像素为1的点对应微型电机1正转，即升降柱2升起；像素为0的点对 应微型电机1反转，即升降柱2保持与触摸板4齐平；
[0032] 用一个数组来保存8个微型电机1的控制时序，所述数组包括4个长整型，每个长 整型用8位16进制数来表示；长整型的某一位控制启动该一位对应的微型电机1，一个长 整型的8个16进制位可控制8个步进电机；当需要控制某一个微型电机1转动时，将此电 机在四个长整型上对应的四个16进制位分别写为C、6、3、9或9、3、6、C，循环发送该四个长 整型数据到电机驱动电路，电机驱动电路的32个并行输出脚被写入8个微型电机1的控制 电平，该样每个需要被控制转动的微型电机1都得到了时序电平，8个电机得到了控制；
[0033] 如下是代码示例，t油le数组包括4个长整型，每个长整型的第一位控制1*8阵列 的第一个像素，如为1，则4个长整型的第一位分别被置为C、6、3、9 :
[0034]
[0035] (4)电机驱动电路驱动微型电机1转动，从而带动升降柱2 W精确的位移做垂直运 动，最终提供盲人一幅直观的触觉图像；
[0036] 例如微型电机1的螺距为1mm且为单螺纹，则微型电机1转动一圈，升降柱2直线 运动1mm。电机固定板3和触摸板4的大小接近于人手掌的大小。对于盲人来说，呈现给他 们的是一块触摸板4,触摸板4上的触点经过凹凸的组合可W呈现W下信息；道路的走向、 障碍物相对于盲人自身的位置、障碍物的距离、障碍物的大致形状、基本的场景信息等。
【主权项】
1. 一种盲人触觉图像实现的装置，其特征在于，包括三维地形探测器、单片机、N个微 型电机（I)、N个升降柱（2)、电机固定板（3)、触摸板（4)、N/2个电机驱动电路；其中，N = 2n2, n为大于1的偶数；所述微型电机（1)为步进电机，转轴带有螺纹；升降柱（2)为棱柱 体，顶部具有凸起，底部具有螺纹孔，所述螺纹孔与微型电机（1)的螺纹相匹配；电机固定 板⑶上开有N个矩阵排列的圆槽，微型电机⑴的底部嵌套在圆槽内；电机固定板⑶还 开有N个通孔，为微型电机（1)的控制线提供通道；触摸板（4)上开有N个方形孔，升降柱 (2)穿过方形孔，底部与微型电机⑴螺纹连接，触摸板⑷的方形孔卡住升降柱⑵从而 使其只能做垂直的上下运动； 所述电机驱动电路包括四个依次串联的串行信号转并行信号移位寄存器U1-U4,每个 串行转并行信号移位寄存器的八个并行输出脚依次接两个微型电机（1)的信号线；U2、U3、 U4的串行输入时钟信号端相连后接入Ul的串行输入时钟信号端；U2、U3、U4的输出时钟信 号端相连后接入Ul的输出时钟信号端；Ul的串行输入端、Ul的串行输入时钟信号端、Ul的 输出时钟信号端分别连接单片机的I/O 口。2. -种利用权利要求1所述装置的盲人触觉图像实现方法，其特征在于，包括以下步 骤： (1) 三维地形探测器拍摄图像，获取图像中每一像素点水平方向和竖直方向的深度信 息； (2) 根据步骤（1)得到的图像深度信息，将采集的图像转化为需要触觉显示的像素数 为N的二值图像； (3) 将二值图像发送到单片机，单片机生成控制微型电机阵列的信号给电机驱动电路， 具体为：定义微型电机（1)的四个引脚A1、B1、A2、B2循环接收16进制C、6、3、9为正转，循 环接收16进制9、3、6、C为反转；二值图像中像素为1的点对应微型电机（1)正转，即升降 柱⑵升起；像素为〇的点对应微型电机⑴反转，即升降柱⑵保持与触摸板⑷齐平； 用一个数组来保存8个微型电机（1)的控制时序，所述数组包括4个长整型，每个长整 型用8位16进制数来表示；长整型的某一位控制启动这一位对应的微型电机（1)，一个长 整型的8个16进制位可控制8个步进电机；当需要控制某一个微型电机（1)转动时，将此 电机在四个长整型上对应的四个16进制位分别写为C、6、3、9或9、3、6、C，循环发送这四个 长整型数据到电机驱动电路，电机驱动电路的32个并行输出脚被写入8个微型电机（1)的 控制电平，这样每个需要被控制转动的微型电机（1)都得到了时序电平，8个电机得到了控 制； (4) 电机驱动电路驱动微型电机（1)转动，从而带动升降柱（2)以精确的位移做垂直运 动，最终提供盲人一幅直观的触觉图像。
【专利摘要】本发明公开了一种盲人触觉图像实现的装置及方法，利用微型步进电机和升降柱构成图像的单个触点，在电机固定板和触摸板的配合下，触点被控制可实现上下运动，N个微型步进电机组成矩阵排列的阵列。微控制器把包含N个像素的二值图像转换成控制信号，通过电机驱动电路控制N个微型步进电机和升降柱所构成触点组成的阵列，使其呈现与二值图像相对应的状态：像素为1的点凸起，像素为0的点凹陷。盲人使用者可利用本装置，通过阵列的起伏直观地感受周围环境；阵列随使用者的移动可进行刷新，具有实时性；触点间距较小，阵列可在紧凑的小区域内实现。
【IPC分类】G09G3/20
【公开号】CN104882090
【申请号】CN201510274145
【发明人】汪凯巍, 赵向东
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月26日